Fabbricazione di superfici superidrofobiche metalliche per applicazioni Anti-Icing

La capacità di superidrofobi (SH) superfici di respingere l’acqua è il motivo che tradizionalmente vengono proposte come soluzione per prevenire la ciliegina^1,2. Tuttavia, ci sono preoccupazioni circa l’idoneità delle superfici SH per gli agenti anti-icing: 1) gli alti costi di produzione, 2) che superhydrophobicity non sempre portano a ghiaccio-phobicity³e 3) la durevolezza discutibile di SH superfici⁴ . Superfici superidrofobiche tenere due proprietà correlate alla loro topografia e chimica composizione⁵: essi sono agitati, con particolari caratteristiche topografiche; e la loro superficie di energia è basso (intrinsecamente idrofobo).

La rugosità di una superficie idrofoba serve per ridurre il rapporto tra l’area reale solido-liquido e l’area di contatto apparente. L’acqua non è completamente a contatto con il solido a causa l’effetto loto^6,7, quando la goccia si riposa o si trasferisce le asperità superficiali. In questo scenario, l’interfaccia solido-liquido agisce eterogeneo con due domini di chimiche: la superficie solida stessa e le piccole bolle d’aria intrappolate tra il solido e acqua⁸. Il grado di idrorepellenza è collegato alla quantità di aria intrappolata perché le patch di aria sono lisce e sua intrinseca angolo di contatto è di 180°. Alcuni studi riportano l’incorporazione di una struttura gerarchica superficiale con micro e nano-asperità come la strategia ottimale per fornire la migliore proprietà idrorepellenti (maggiore presenza di aria all’interfaccia solido-liquido)⁹. Per alcuni metalli, una strategia a basso costo per creare caratteristiche di rugosità a due livelli è acido-acquaforte^10,11. Questa procedura è seguita frequentemente nell’industria. Con determinate le concentrazioni acide e tempi di incisione, la superficie di metallo rivela la corretta rugosità gerarchica. In generale, la rugosità superficiale è ottimizzata variando la concentrazione di acido, tempo di attacco o entrambi¹². L’energia di superficie dei metalli è elevato e per questo motivo, la realizzazione di superfici metalliche idrorepellente richiede hydrophobization successive.

Hydrophobization è generalmente ottenuto per deposizione di film idrofobo utilizzando diversi metodi: silanizzazione^10,13, dip coating¹⁴, rivestimento per rotazione¹⁵,¹⁶ o deposizione plasma¹⁷ di spruzzatura . Silanizzazione è stato proposto¹⁸ come uno del più promettente strumento per migliorare la bassa durabilità delle superfici SH. A differenza di altre tecniche di deposizione, il processo di silanizzazione si basa su un legame covalente tra i gruppi Si-OH con i gruppi idrossilici superficiale del substrato metallico¹⁰. Uno svantaggio del processo silanizzazione è la necessità di precedente attivazione del substrato del metallo per creare abbastanza gruppi ossidrile per un elevato grado di copertura e uniformità. Un’altra strategia recentemente proposta di superfici superidrofobiche prodotti resistenti è l’uso di terre rare rivestimenti^19,20. Ceria rivestimenti hanno due proprietà che giustificano questo uso: possono essere intrinsecamente idrofobo²¹, ed essi sono meccanicamente e chimicamente resistenti. In particolare, uno dei motivi più importanti perché vengono scelti come rivestimenti protettivi è la loro abilità di protezione contro la corrosione²⁰.

Per produrre superfici metalliche SH di lunga durata, sono considerati due problemi: la rugosità superficiale non deve essere danneggiata, e il film/rivestimento idrorepellente dovrà essere saldamente ancorato al substrato. Le superfici vengono generalmente esposte ad usura provenuto da impatto di abrasione o particella laterale⁴. Se le asperità sono danneggiate, l’idrorepellenza può essere sostanzialmente ridotta. In ambienti estremi, il rivestimento idrorepellente può essere parzialmente rimosso dalla superficie o può essere degradato chimicamente da esposizione UV, umidità e corrosione. La progettazione dei rivestimenti di superfici durevole SH è una sfida importante per il rivestimento e ingegneria delle superfici.

Per i metalli, uno dei requisiti più esigenti è che la capacità di anti-icing si basa su tre aspetti interconnessi²² come illustrato nella Figura 1: subcooled idrorepellenza, congelamento ritardo e ghiaccio-aderenza ridotta. Formazione di ghiaccio all’aperto si verifica quando subcooled acqua, tipicamente pioggia scende, entra in contatto con una superficie solida e viene rapidamente congelato dalla nucleazione eterogenea²³. Il ghiaccio formato (rima) è attaccato saldamente alla superficie. Così, il primo passo per evitare formazione di ghiaccio è di ridurre il tempo di contatto solido-acqua. Se la superficie è superidrofobiche, gocce di pioggia possono essere espulsi dalla superficie prima del congelamento. Inoltre, è stato dimostrato che, nelle circostanze umide, superfici con angolo di contatto elevato ritardano congelamento in modo più efficiente rispetto a quelli con un basso angolo di contatto²⁴. Per questi due motivi, superfici SH sono le superfici più appropriate per mitigare la ciliegina. Tuttavia, la durata delle superfici superidrofobiche può essere un punto chiave poiché condizioni di glassa sono tipicamente aggressivo²⁵. Alcuni studi hanno concluso che le superfici SH non sono la scelta migliore per diminuire ghiaccio adesione²⁶. Una volta le forme di ghiaccio sulla superficie, rimane saldamente fissato a causa dell’asperità superficiali. La rugosità aumenta l’area di contatto di superficie del ghiaccio e le asperità fungono da incastro agenti²⁶. La durevole SH superfici si consiglia per evitare formazione di ghiaccio se non siano presenti tracce di ghiaccio già presente sulla superficie.

In questo lavoro, vi presentiamo diversi protocolli per produrre durevole SH superfici su substrati di metallo. Noi usiamo alluminio (Al) come il substrato perché è ampiamente usato nell’industria, e l’incorporazione delle proprietà anti-icing è particolarmente rilevante per alcune applicazioni (servizi del Resort sciistico, aeronautica, ecc.). Prepariamo tre tipi di superfici: una superficie strutturata Al rivestito con un rivestimento, una martellata Al superficie silanizzata con un fluorosilane e un bilayer ceria-stearico Acido su un substrato di al fluoro. Spessore del film di 100-300 nm o anche monostrato film fornire simili tecniche^17,27,28,29 . Per ogni superficie, abbiamo misurato la loro proprietà di bagnabilità ed effettuato le prove di usura. Infine, abbiamo analizzato le prestazioni anti-icing utilizzando tre prove finalizzate a sondare in modo indipendente le tre proprietà illustrata nella Figura 1.

Il nostro protocollo è basato sullo schema mostrato nella Figura 2. Una volta che la preparazione delle superfici Al SH, le proprietà di bagnabilità e topografia vengono analizzati per determinare le loro proprietà di idrorepellenza e rugosità. Le proprietà di bagnabilità sono analizzate facendo rimbalzare esperimenti di goccia, che è una tecnica connessa all’adesione a trazione dell’acqua. Poiché l’osservazione di goccia rimbalzi è necessaria, questa tecnica è adatta solo per superfici superidrofobiche¹³. Per ogni trattamento di superficie, abbiamo preparato almeno quattro campioni per condurre i test anti-icing e un altro quattro campioni per eseguire le prove di durabilità. I danni causati dopo ogni prova di durabilità è stato analizzato misurando la perdita di bagnatura proprietà e caratteristiche di rugosità. Durata simile test per la proposta ones in questo lavoro sono stati recentemente utilizzati per altre superfici metalliche^27,30.

Per quanto riguarda i test anti-icing, lo scopo di questo studio è di determinare se l’uso delle superfici prodotte Al SH sono conveniente come agenti anti-icing. Quindi, abbiamo analizzato, per confronto, le prestazioni dei campioni di controllo due:) un campione non trattato Al (esempio idrofilo liscia) e b) un idrofobizzato ma non strutturato (liscio idrofobo campione). Per lo stesso scopo, l’uso di una martellata ma non idrofobizzato superficie potrebbe essere di interesse. Purtroppo, questa superficie è estremamente bagnabile e anti-icing prove non possano essere eseguite per loro.